杯芳烴酚鹽催化苯甲醛與丙酮的縮合

周海鵬，蘭 鯤，陳 平

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

杯芳烴(Calixarene)是繼環(huán)糊精、冠醚后，被譽(yù)為第三代超分子化合物。常用的杯芳烴主要是含偶數(shù)個(gè)苯環(huán)的杯[4]、[6]、[8]芳烴。它們是由對(duì)叔丁基苯酚與甲醛在堿性條件下通過(guò)一步法縮合而成的環(huán)狀低聚物，具有大小可調(diào)的剛性空腔，廣泛應(yīng)用于分子識(shí)別和自組裝[1-2]、電化學(xué)應(yīng)用[3]、熒光化學(xué)傳感器[4-5]、配位化學(xué)[6]、手性合成[7]、杯芳烴的功能化[8-9]、超分子醫(yī)學(xué)[10]等領(lǐng)域。但由于苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致杯芳烴的水溶性較差，應(yīng)用范圍受到限制。如果對(duì)杯芳烴的上下沿進(jìn)行官能團(tuán)修飾改性，可以降低其疏水性以改善其水溶性。如在上下沿通過(guò)磺化、酯化和胺化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)這一目的[11]，但是合成方法復(fù)雜、成本高，影響了杯芳烴的使用價(jià)值。

近年來(lái)，杯芳烴及其衍生物作為有機(jī)合成催化劑的應(yīng)用也取得了一些進(jìn)展[12-13]，主要是杯芳烴的酸性催化性能研究，如在杯芳烴的上沿引入磺酸基[14-15]。杯芳烴的下沿為酚羥基，酚羥基的氫具有一定的弱酸性，可以與強(qiáng)堿反應(yīng)形成強(qiáng)堿弱酸鹽而具有一定的堿性，可作為堿性催化劑。本文以杯芳烴為原料合成了具有弱堿性的杯芳烴酚鈉(鉀)鹽，將其作為弱堿性催化劑，催化苯甲醛與丙酮發(fā)生克萊森-斯密特縮合(Claisen-Schmidt)縮合反應(yīng)，并與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)堿進(jìn)行催化比較，以期獲得杯芳烴酚鈉(鉀)鹽作為催化劑的理論數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

對(duì)叔丁基杯[4]、[6]、[8]芳烴和杯[4]、[6]、[8]芳烴，自制[11]；乙醇、氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、氫氧化鋇、苯甲醛、丙酮均為市售分析純?cè)噭?，?guó)藥集團(tuán)。

GC7890 Ⅱ氣相色譜儀，上海天美科學(xué)儀器廠(chǎng)。

1.2 對(duì)叔丁基杯芳烴酚鈉(鉀)鹽的合成

在100 mL燒瓶中，加入5 g對(duì)叔丁基杯芳烴，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% 的NaOH(KOH)水溶液，磁力攪拌油浴加熱至90 ℃，劇烈攪拌一定時(shí)間，當(dāng)混合物轉(zhuǎn)變成懸濁液，沒(méi)有漂浮的杯芳烴時(shí)，取出少量懸濁液進(jìn)行水溶性實(shí)驗(yàn)，完全溶于水后停止反應(yīng)，趁熱抽濾后用75%乙醇溶液洗滌2～3次，120 ℃干燥即可得到相應(yīng)的杯芳烴酚鈉(鉀)鹽，以杯芳烴酚鈉鹽合成為例的反應(yīng)式如下。

1.3 苯甲醛與丙酮的縮合

在100 mL三口燒瓶中加入對(duì)叔丁基杯芳烴酚鈉(鉀)鹽作為催化劑，加入新蒸的苯甲醛，安裝回流冷凝管和滴液漏斗，通過(guò)滴液漏斗向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)滴加丙酮，磁力攪拌，水浴控制反應(yīng)溫度。反應(yīng)結(jié)束后趁熱過(guò)濾，濾渣為催化劑。留少量濾液溶解于CHCl3中，通過(guò)色譜定性分析產(chǎn)物的組成，其余濾液冷卻到室溫后水洗，分離得到粗產(chǎn)物。用乙醇進(jìn)行重結(jié)晶，抽濾、烘干、稱(chēng)重，計(jì)算產(chǎn)率。不同的反應(yīng)條件下得到不同的縮合產(chǎn)物，主產(chǎn)物主要為苯甲醛與丙酮的單縮合產(chǎn)物芐叉丙酮(產(chǎn)物1)和雙縮合產(chǎn)物雙芐叉丙酮(產(chǎn)物2)；副產(chǎn)物為丙酮自身縮合的產(chǎn)物。

1.4 催化劑的回收

上述縮合反應(yīng)結(jié)束后趁熱過(guò)濾反應(yīng)液，濾渣為催化劑，用75%乙醇溶液洗滌2～3次后進(jìn)行干燥，回收率90%；把上述反應(yīng)混合物冷卻到室溫，有大量的產(chǎn)物析出，用水洗滌，洗滌液加入幾滴鹽酸，立即有少量的對(duì)叔丁基杯[4]芳烴析出，過(guò)濾后備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物表征

2.1.1 對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽

叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽的1H NMR譜見(jiàn)圖1。1H NMR(500 MHz，CDCl3)，δ：1.24(m，36H)為對(duì)叔丁基的氫，3.99(m，8H)為連接杯芳烴苯環(huán)的亞甲基上的氫，7.00(s，4H)苯環(huán)上的氫，7.52(s，4H)苯環(huán)上的氫，與其結(jié)構(gòu)基本吻合。

圖1 對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽的1H NMR譜

2.1.2 芐叉丙酮和雙芐叉丙酮

芐叉丙酮和雙芐叉丙酮產(chǎn)物的1H NMR譜見(jiàn)圖2。1H NMR(300 MHz，CDCl3)，芐叉丙酮，δ：7.41(m，4H)，7.61(m，3H)，3.13(s，3H)；雙芐叉丙酮，δ：7.09(d，2H)，7.42(m，6H)，3.7.61(m，4H)，7.61(m，4H)，7.75(d，2H)。與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)一致。

圖2 產(chǎn)物的1H NMR譜

2.2 對(duì)叔丁基杯芳烴酚鈉(鉀)鹽合成條件的影響

合成對(duì)叔丁基杯芳烴酚鈉(鉀)鹽的反應(yīng)條件列于表1。

由表1可見(jiàn)，不同的堿反應(yīng)效果不同，其中以NaOH和KOH的反應(yīng)效果比較好，Na2CO3反應(yīng)不完全，始終有不溶的杯芳烴；與油浴相比，微波明顯加快反應(yīng)速度，溫度越高，反應(yīng)速率越快。杯[4]芳烴和杯[6]芳烴的反應(yīng)速率相近，而杯[8]芳烴的反應(yīng)速率很快。適宜的堿溶液的用量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%。減少堿的用量，反應(yīng)困難，堿溶液的質(zhì)量為杯芳烴質(zhì)量的5倍，量少攪拌困難。攪拌越劇烈越好，不攪拌則放置幾天也沒(méi)有產(chǎn)物?？紤]到原料的成本，以下選擇在微波條件下以NaOH為堿，合成對(duì)叔丁基杯芳烴酚鈉鹽作為堿性催化劑。

表1 合成杯芳烴酚鈉(鉀)鹽反應(yīng)的條件及產(chǎn)率

2.3 不同的堿催化苯甲醛與丙酮的反應(yīng)

選擇苯甲醛為50 mmol，苯甲醛與丙酮物質(zhì)的量比為1∶1.4，催化劑用量為苯甲醛物質(zhì)的量的1.2%，40 ℃下反應(yīng)45 min，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同的堿催化苯甲醛與丙酮縮合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，上述各種堿催化苯甲醛與丙酮的縮合，并沒(méi)有生成丙酮自身縮合的產(chǎn)物，表明滴加丙酮可以控制丙酮的自身縮合。苯甲醛在濃NaOH條件下能夠發(fā)生自身的岐化反應(yīng)生成苯甲醇和苯甲酸。但是在該條件下并沒(méi)有岐化反應(yīng)產(chǎn)物，說(shuō)明堿的濃度不夠，不足以發(fā)生苯甲醛的岐化反應(yīng)。不同的堿催化效果也不同，Na2CO3沒(méi)有催化效果，而NaOH作為傳統(tǒng)的羥醛縮合反應(yīng)的催化劑，催化效果良好，但選擇性不佳；對(duì)叔丁基苯酚鈉雖也有較好的催化效果，但不如對(duì)叔丁基杯[4]、杯[6]芳烴酚鈉鹽。對(duì)叔丁基杯[8]芳烴鹽的催化效果較差，這是因?yàn)槠浯呋ЧQ于杯芳烴環(huán)的大小，因?yàn)榄h(huán)的大小可能會(huì)影響杯芳烴對(duì)反應(yīng)物的作用。故選擇催化效果良好的對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽作為苯甲醛與丙酮縮合反應(yīng)的催化劑。

2.4 對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽催化苯甲醛與丙酮的縮合

2.4.1 催化劑用量的影響

以對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽為催化劑，苯甲醛用量50 mmol，苯甲醛與丙酮摩爾比為1∶1，在40 ℃下反應(yīng)45 min，考察催化劑物質(zhì)的量對(duì)苯甲醛轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 催化劑用量對(duì)反應(yīng)的影響

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，催化劑用量越多，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率就越高，最高可達(dá)99.1%，基本達(dá)到完全反應(yīng)；催化劑對(duì)芐叉丙酮和雙芐叉丙酮選擇性的影響變化不大，催化劑極少時(shí)，只有芐叉丙酮生成；當(dāng)催化劑用量增加時(shí)，使生成的單縮合產(chǎn)物會(huì)繼續(xù)進(jìn)行縮合，導(dǎo)致少量的雙縮合產(chǎn)物生成。故適宜的催化劑用量為 0.75 mmol。

2.4.2 反應(yīng)溫度的影響

催化劑物質(zhì)的量為0.75 mmol，苯甲醛用量50 mmol，苯甲醛與丙酮物質(zhì)的量之比為1，反應(yīng)時(shí)間為45 min，考察反應(yīng)溫度對(duì)苯甲醛轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率的影響，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而提高。當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率最高，達(dá)到99.1%，同時(shí)，芐叉丙酮的選擇性也是最高的。故合成單縮合產(chǎn)物芐叉丙酮適宜的溫度為40 ℃。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

2.4.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

其他反應(yīng)條件同上，選擇反應(yīng)溫度為40 ℃，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)苯甲醛轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

由圖5可見(jiàn)，丙酮與苯甲醛在叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽的催化作用下，反應(yīng)速率比較快，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率明顯提高，而反應(yīng)時(shí)間的變化對(duì)產(chǎn)物的選擇性影響不大。當(dāng)反應(yīng)45 min時(shí)，苯甲醛的轉(zhuǎn)化率最高，同時(shí)單縮合產(chǎn)物芐叉丙酮選擇性最好，故選擇反應(yīng)時(shí)間為45 min。

2.4.4 丙酮與苯甲醛物質(zhì)的量之比對(duì)反應(yīng)的影響

選擇苯甲醛物質(zhì)的量為50 mmol，催化劑物質(zhì)的量為 0.75 mmol，40 ℃下反應(yīng)45 min，苯甲醛轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率的變化結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 原料物質(zhì)的量之比對(duì)反應(yīng)的影響

由表3可知，丙酮物質(zhì)的量越大，芐叉丙酮產(chǎn)率越高，而苯甲醛的量越大，則雙芐叉丙酮產(chǎn)率越高，這是由于芐叉丙酮的α-H活性要大于丙酮的α-H活性的關(guān)系，所以很容易合成雙芐叉丙酮；另外，丙酮與苯甲醛物質(zhì)的量比過(guò)1.4時(shí)，逐漸會(huì)有丙酮的自縮合產(chǎn)物生成，雖然丙酮的自縮合反應(yīng)不及與苯甲醛的反應(yīng)速度快，但是過(guò)量的丙酮也會(huì)有少量的自縮合產(chǎn)生，可見(jiàn)控制原料的配比是合成可選擇產(chǎn)物的關(guān)鍵。

2.5 催化劑回收實(shí)驗(yàn)

將回收的催化劑應(yīng)用于重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6。

圖6 催化劑回收再利用

回收催化劑的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中苯甲醛轉(zhuǎn)化率略有降低，催化劑的重復(fù)利用性較好。

2.6 反應(yīng)機(jī)理初探

杯芳烴的酚羥基具有弱酸性，與強(qiáng)堿反應(yīng)形成杯芳烴酚鹽，具有一定的堿性，同時(shí)杯[4]芳烴酚鹽的空腔能夠?qū)Ρ?、苯甲醛等小分子具有包合能力，雙重作用使其對(duì)羥醛縮合反應(yīng)具有一定的催化作用，反應(yīng)中丙酮的α-H與杯芳烴的酚氧負(fù)離子結(jié)合，生成丙酮的碳負(fù)離子，然后進(jìn)攻苯甲醛的羰基碳，發(fā)生親核加成，進(jìn)一步產(chǎn)生縮合產(chǎn)物。

3 結(jié) 論

a.以對(duì)叔丁基杯[4]芳烴為原料，在微波條件下，與NaOH或KOH反應(yīng)合成了對(duì)叔丁基杯[4]、[6]、[8]芳烴酚鈉(鉀)鹽，合成產(chǎn)率較高。

b.以對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽為催化劑，催化苯甲醛與丙酮的縮合反應(yīng)，當(dāng)苯甲醛物質(zhì)的量為50 mmol，丙酮與苯甲醛物質(zhì)的量之比為1.4，催化劑物質(zhì)的量為0.75 mmol，40 ℃下反應(yīng)45 min，苯甲醛轉(zhuǎn)化率達(dá)99.5%，單縮合和雙縮合產(chǎn)物產(chǎn)物的選擇性分別為97.7%和2.3%，對(duì)叔丁基杯[4]芳烴酚鈉鹽的催化效果良好，可作為堿性可回收的催化劑使用。